Член

Футурология на смартфона: Науката, която стои зад процесора и паметта на следващия ви телефон

protection click fraud

Добре дошли в Smartphone Futurology. В тази нова поредица от научни статии, Мобилни нации гост сътрудник Шен Йе разглежда актуалните технологии, използвани в нашите телефони, както и модерните неща, които все още се разработват в лабораторията. Предстои доста наука, тъй като много от бъдещите дискусии се основават на научни хартии с огромно количество технически жаргон, но ние се опитахме да поддържаме нещата толкова ясни и прости, колкото възможен. Така че, ако искате да се потопите по-дълбоко в това как функционират червата на вашия телефон, това е серията за вас.

Нова година носи сигурността на новите устройства, с които да играете, и затова е време да погледнем напред към това, което може да видим в смартфоните на бъдещето. Първата част от поредицата покри новостите в технологията на батериите, докато втората статия разглеждаше какво следва в света на мобилните дисплеи. Третата част на поредицата се фокусира върху електронните мозъци на нашите мобилни устройства - SoC (система на чип) и флаш памет. Възходът на смартфоните и ожесточената конкуренция между конкурентни производители ускориха темповете на технологичен прогрес и в двете области. И все още не сме приключили - на хоризонта има все по-диви технологии, които някой ден може да намерят път в бъдещите устройства. Прочетете, за да разберете повече.

За автора

Шен Йе е разработчик на Android и завършил магистърска степен по химия от университета в Бристол. Хвани го в Twitter @shen и Google+ + ShenYe.

Повече в тази поредица

Не забравяйте да разгледате първите две вноски от нашата серия Smarturo Futurology, покриващи бъдещето на технологията на батериите и дисплей за смартфон. Продължете да гледате за още през следващите седмици.

Блок схема на Snapdragon 801 Кредит за изображение: Qualcomm

Индустрията на смартфоните е ускорила значително напредъка в технологията на микрочипове, както в процесорите, така и във флаш паметта. HTC G1 отпреди 6 години имаше 528 MHz процесор, изработен по 65 нанометров процес, и 192MB RAM модул. Оттогава изминахме дълъг път, като Qualcomm пусна 64-битови процесори тази година, използвайки 20 nm процес. В тази вноска от Смартфон футурология, ще разгледаме бъдещите технологии както за съхранение, така и за обработка, заедно с предизвикателствата, които трябва да се преодолеят, ако искаме да продължим да ускоряваме с това темпо.

Смартфоните използват интегрална схема, известна като SoC (система на чип). Това обединява множество компоненти, необходими на устройството да функционира всичко в един чип, включително радиостанции за свързване, CPU, GPU, мултимедийни декодери и др. Когато производителите на телефони решат SoC, който искат да използват, те могат да изберат варианта на пакета, който желаят, всеки с различна тактова честота и размер на процесора. Например както Nexus 7 (2012), така и HTC One X използваха чипсет Tegra 3, но въпреки идентичното брандиране, оформлението, скоростта и размерът на SoC са различни.

По-големите опаковки, като например четиристепенни плоски пакети, обикновено са най-евтините, докато по-малките, като например монтиране на топки, са по-скъпи, тъй като изискват по-скъпи процеси за постигане на техния размер. Флагманите от 2014 г. като М8 и S5 имаше SoC под слоя под RAM, за да спести място. Тези компоненти обаче работят много подобно на този на нормален компютър, всички захранвани от микрочипове, пълни с невъобразимо малки транзистори.

Транзистори

Броят на транзисторите в процесора има тенденция да определя неговата процесорна мощност.

Транзисторите са малки полупроводникови устройства, които могат да се използват като превключватели или усилватели. Броят на транзисторите в процесора има тенденция да определя неговата процесорна мощност. Терминът на производствения процес на нанометри определя размера на процесора. С 20nm транзистори можете да поставите около 250 милиарда от тях на силициева пластина с размерите на нокът.

Транзистор

По-горе е проста диаграма на транзистор. Силицият е полупроводник, който в нормалното си състояние е изолиращ. Когато слаб сигнал се въведе в управляващата порта, той може да достигне праг, където той "допира" областта на полупроводника, която е поставен отгоре с електрическо поле, което го кара да провежда електричество и по този начин завършва връзка между източника и източване. За да се изключи веригата, контролната порта просто се изключва. Транзисторите са направени с помощта на дълга поредица от процеси на химическо офорт и отлагане, но производствените им разходи непрекъснато рязко падат, тъй като се откриват нови техники и оптимизации.

Apple все повече поема дизайна на техните мобилни чипсети. A8X, който се доставя вътре в iPad Air 2 има персонализиран триядрен ARM процесор и персонализиран осемядрен графичен процесор PowerFX, за общо 3 милиарда транзистори на умре

NVIDIA Jetson

NAND флаш памет

По-голямата част от телефоните използват NAND памет за флаш памет, енергонезависим тип съхранение - по-точно EEPROM (Електрически изтриваема програмируема памет само за четене). Противно на това, което подсказва името, паметта само за четене (ROM) всъщност не е само за четене, въпреки че скоростите на четене определено са по-бързи от скоростите на запис. Името "NAND flash" е от логическата порта на NAND (NOT AND или Negated AND), която генерира "false" изход, ако входът е "true", използван в транзисторите, които изграждат NAND флаш паметта.

Транзистор с плаваща порта Изображение: SLC транзистор с плаваща порта

По-горе е илюстрация на плаващ транзистор, който съхранява информация. Това е просто транзистор с плаваща порта, електрически изолирана с оксиден слой и няма електрически контакти. Плаващата порта е в състояние да задържи отрицателен заряд и това е, което се използва за съхраняване на информация. Изолацията му позволява да поддържа заряда за много дълго време. В едностепенна флаш клетка (SLC) всяка плаваща порта има 2 състояния, при които е или отрицателно заредена, или няма заряд, като по този начин може да съхранява 1 бит. В многостепенна флаш клетка (MLC) всяка плаваща порта може да има множество състояния в зависимост от това колко отрицателно е заредена. MLC флашът позволява по-плътен носител за съхранение в сравнение със SLC флаш, но има по-висок процент грешки при четене / запис поради по-тесните разлики между състоянията.

NAND флаш паметта използва плаващи порти за съхраняване на единици и нули.

Когато чете състоянието на плаваща порта, той използва механизъм, подобен на това как работи нормалният транзистор. На управляващата порта се подава напрежение, за да се достигне прагът, където връзката между източника и канализацията може да бъде завършена. Необходимото напрежение е пропорционално на това колко отрицателно е заредена плаващата порта. Битовата стойност на транзистора се преобразува от напрежението, необходимо за включване на транзистора. Когато пише, веригата трябва по някакъв начин да модифицира заряда на плаващата порта, когато е напълно изолирана от други електрически компоненти. Изисква явление, наречено „квантово тунелиране“ - където частица (в този случай електрон) може да тунелира през бариера. Този процес на писане е значително по-сложен и по-бавен от процеса на четене, поради което скоростта на четене винаги е по-висока от скоростта на запис.

Вместо плаващи транзистори за затваряне също се използва светкавица за задържане на заряд (CFT), механизмът е почти идентични, с изключение на CFT транзисторите използват тънък филм за съхранение на отрицателния заряд вместо плаващ порта. Предимството им пред плаващите врати е, че са по-надеждни, по-евтини за производство поради по-малко процеси и са по-малки, така че имат по-плътен капацитет. Това се разглежда като бъдещето на NAND, тъй като транзисторите с плаваща порта са изключително трудни за производство под 20 nm. Въпреки това, когато транзисторите се доближават до размери под 20 nm, това може да означава нежизнеспособни нива на грешки и ниски данни време на задържане (т.е. вашето устройство може да се повреди, ако го оставите без захранване за продължителни периоди от време). С транзистори с плаваща порта, размерите по-ниски от 20nm могат да увеличат интерференцията на заряда между плаващите врати - като по този начин значително увеличават процента на грешки и повреда.

Samsung Samsung откри начин да трансформира всеки транзистор в цилиндрична форма, максимизирайки плътността на съхранение.

3D NAND

3D NAND Кредит за изображение: Samsung Electronics

3D NAND (понякога известен като Vertical NAND или V-NAND) едва наскоро стана достъпен за масовия пазар, като SSD дисковете от серия 850 на Samsung ги използват. 3D NAND светкавицата осигурява по-бърза работа с подобрена дълготрайност и надеждност. Първоначално обявени от Samsung Electronics миналата година, те успяха да мащабират NAND технологията вертикално, за разлика от агресивното хоризонтално мащабиране на текущия пазар. Samsung откри метод за промяна на формата на всеки транзистор в цилиндрична форма и подреждане на слоеве от тези цилиндрични транзистори, за да увеличи максимално тяхната плътност на NAND флаш съхранение на площ.

3D NAND носи по-голяма плътност на съхранение и по-ниски разходи на гигабайт.

3D NAND светкавицата носи по-ниска цена на GB, което я доближава до тази на магнитното съхранение (като традиционните механични твърди дискове). Освен това помага за решаване на текущи проблеми с намаляване на мащаба на транзисторите с размери под 20 nm, включително намаляване на смущения между транзисторите.

Промяна на фаза Flash

Промяна на фаза Flash Кредит за изображение: Micron

В последна статия от серията обсъдихме кристално-променливи IGZO дисплеи с фазова промяна, които Sharp наскоро демонстрира в своите устройства Aquos Вместо състояния с различен заряд, материалите за фазова промяна (PCM) променят структурата си между кристални (подредени) и аморфни (разстроени). С доставчиците на силиций, които се надпреварват да намерят нова технология за замяна на NAND флаш поради проблеми с мащабирането под 20 nm, светкавицата с промяна на фазите се очертава като силен кандидат.

Тази година и двете IBM и Western Digital демонстрираха усилията си за създаване на PCM SSD. В сравнение с текущата памет NAND, паметта за фазова промяна има значително по-ниска латентност - от 70 микросекунди до една микросекунда. За разлика от това как NAND използва заряди, PCM няма да има смущения с друг транзистор в скали под 20 nm, стига те да са изолирани.

Флаш паметта с фазова промяна може да започне да замества настоящите NAND технологии през следващото десетилетие.

Понастоящем предпочитаният РСМ е халкогенидна сплав1. Използвайки малък резистор (нагревател), поставен под всяка секция на халкогенида, фазата на материала може да бъде променена само чрез регулиране на температурата и времето на топлинен импулс от резистора. Всеки резистор трябва да бъде увит в топлоизолатор, за да се предотврати "термично кръстосано обсъждане", когато топлината от резистор засяга други "битове" на PCM. Времевите скали, за които говорим, са в 10-30 наносекундна област, така че изключително бързи скорости на писане. Процесът на четене е също толкова бърз, като по този начин кристалната фаза е по-добър проводник четенето на битовата стойност е толкова просто, колкото преминаването на малък ток през PCM и измерването му съпротива. Резултатите бяха много обещаващи и трябва да очакваме през следващото десетилетие флаш паметта с фазова промяна да бъде възприета по текущите NAND технологии.

Енергична магнитна RAM (MRAM)

MRAM Кредит за изображение: Everspin

Магнетизмът беше предложен като начин за съхраняване на данни преди повече от десетилетие, но методите за производство са демонстрирани едва наскоро2. Тази технология от следващо поколение е все още далеч, но сега е преминала от писалка и хартия към производство. Латентността на MRAM също е значително по-ниска от тази на настоящите NAND чипове, в ниските десетки наносекунди.

Everspin си партнира с Global Foundries да се върти въртящ момент магнитна RAM памет (ST-MRAM) с помощта на 40nm процес. TDK също показа се неговата ST-MRAM технология, макар и само на 8Mbit в сравнение с 64Mbit на Everspin. Двете компании се надпреварват да развият своите MRAM технологии за потребителския пазар.

LPDDR4

LPDDR4 Кредит за изображение: Samsung утре

Придвижвайки се към RAM, повечето актуални водещи устройства използват LPDDR3 мобилна RAM (LP стойка за ниска мощност). Приемането му на пазара беше бързо, като JEDEC публикува стандарта LPDDR3 едва през май 2012 г. По-рано през август те публикуваха LPDDR4 стандарт със Samsung Electronics ' първи 20nm клас LPDDR4 чип способен да достигне скорост на предаване на данни от 3200 Mbit / s, 50% по-висока от тази от предишното поколение и използва 10% по-ниско напрежение, като по този начин общо 40% увеличение на енергийната ефективност.

С 2K екрани, които вече са в нашите мобилни устройства и 4K зад ъгъла за таблети, апетитът ни за RAM продължава да расте. Оперативната памет е нестабилна - изисква постоянно напрежение, за да поддържа съхранените данни, така че консумацията на енергия е също толкова важна, колкото и скоростта. Най-вероятно ще видим LPDDR4 чипове в нашите водещи телефони и таблети през 2015 г. и ще бъдем още една стъпка по-близо до това, че никога няма да се притесняваме, че фоновите приложения затрупват цялото устройство.

Производство на микрочипове под 20 nm

По-малките производствени процеси ви позволяват да натъпкате повече транзистори във вашия процесор ...

Силициевите доставчици като Qualcomm и Intel непрекъснато търсят начини да притиснат повече транзистори към процесор, за да увеличат в крайна сметка тяхната производителност. По-горе споменахме как NAND транзисторите имат проблеми със съхранението на данни под 20nm, да не говорим за огромния спад в добивите на продукти. Друг проблем, който понастоящем се проучва сериозно, е проблемът с прехвърлянето на под-20 нм конструкции в силициевата пластинка.

Съвременните техники използват светлина, за да проектират дизайна върху силиконова пластина със светлочувствителен материал - представете си, че използвате проектор, за да покажете изображение в нанометров мащаб. Когато се потопите под 20nm, вие получавате няколко трудности с този литографски процес, ограничен от законите на физиката. Когато стигнете до такива малки мащаби, дифракцията на светлината започва да се превръща в проблем.

Изображение на Intel Кредит за изображение: Intel

... но когато се потопите под 20nm, законите на физиката започват да ви настигат.

Както може би знаете, светлината се движи като вълна. Ако вълната премине през процеп (в този случай шаблонът на силициевия дизайн), чийто размер е близък до дължината на вълната на светлината, тя може да се разсейва и да даде много замъглено предаване. Така че със сигурност можем просто да увеличим дължината на вълната на светлината, нали? Е, това само временно отстранява проблемите, докато не искате да станете още по-малки, освен това ще трябва да намерите нов чувствителен на светлина материал, който да реагира на новата дължина на вълната на светлината. Точно това се случва в момента, като „екстремната ултравиолетова литография“ (EUV) е следващото поколение литографски техники, способни да изтласкат границата от 20 nm до 13,5 nm.

Доставчиците на силиций вече са проучили как да пробият следващата тухлена стена, с която неизбежно ще се сблъскат, 13.5nm. Една силно проучена област в тази област е върху самосглобяването на наножици. Това са дълги полимерни вериги, които са проектирани да се организират по специфични модели. Група от университета в Торонто публикува статия3 за това как са получили решение на своите полимерни вериги, за да се организират в тънки, равномерно разположени линии, които действително могат да провеждат електричество.

Диаграма Кредит за изображение: Университет в Торонто

DWave чип Кредит за изображение: D-Wave

Квантови изчисления и Qubits

Квантовите изчисления все още са в зародиш, но мнозина вярват, че това е бъдещето на изчисленията. Това е невероятно сложно, така че просто ще изложим основите тук. Много от това, което се случва на квантово ниво, е наистина странно в сравнение с това, което виждаме ежедневно; 4 години след като завърших научна степен, все още понякога имам проблеми, разбиращи някои части от квантовата механика.

Много от това, което се случва на квантово ниво, е наистина странно.

Конвенционалните компютри използват битове, които могат да бъдат само едно от двете състояния, или 1, или 0. Кубит (квантов бит) може да бъде едновременно в множество състояния и по този начин е в състояние да обработва и съхранява големи количества данни. Това се дължи на квантово явление, известно като суперпозиция, основата на това как функционират квантовите изчисления (това обикновено се обяснява с Котката на Шрьодингер аналогия).

Ум. Издухан. Квантовото заплитане може просто да ви умори.

Друго явление, известно като "заплитане", може да се случи на квантово ниво, където двойка частици взаимодействат по такъв начин, че те не могат да бъдат описани сами по себе си, а като цяло. Това кара да се случват странни неща като промяна на състоянието на една от частиците и някак друга частиците също ще се променят мигновено, въпреки че са далеч един от друг без физическа връзка между тях. Проблемът с кубита е, че ако се опитате да го прочетете директно, ще трябва да взаимодействате с него по някакъв начин, което би променило стойността му. Квантовото заплитане обаче потенциално решава проблема. Ако заплитате кубита, можете да измерите неговата двойка, което позволява на изследователите да прочетат стойността на кубита, без всъщност да го гледат.

Миналата година Google обяви, че пускат AI. лаборатория с 512-кубитов квантов компютър, въпреки че в момента се изисква огромна стая, пълна с инструменти, които да помогнат да се поддържа в оптималното състояние бягай. Но така също стартира и конвенционалният компютър. Ще минат доста повече от 2 десетилетия, преди да го получим в телефоните си, но определено това е силно проучена област, която непрекъснато се разраства.

Долния ред

В момента пазарът на силиций е толкова конкурентен, че на пазара бързо се въвеждат нови открития и стандарти. Ще имаме 3D NAND и LPDDR4 много скоро за нашите устройства, което ще доведе до значително по-бърза производителност и по-добра енергийна ефективност. Обсъдихме няколко области на изследвания, които щедро се финансират, за да помогнат на производителите на силиций да получат предимство в агресивен пазар - макар че конкуренцията в технологичната индустрия винаги е завършвала масово в полза на консуматор.

  1. R. Без. Chalcogenide PCM: технология с памет за следващото десетилетие. в Electron Devices Meeting (IEDM), 2009 IEEE International. 2009.

  2. L. Liu, C.-F. Пай, Ю. Li, H.W. Tseng, D.C.Ralph и R.A. Бурман, Превключване на въртящия момент с ефекта на гигантския спин на Тантал, Наука, 2012. 336 (6081): стр. 555-558.

  3. H. Уанг, М. А. Уиник и аз. Начини, синтез и самостоятелно сглобяване на поли (фероценилдиметилсилан-b-2-винилпиридин) диблок съполимери, макромолекули, 2007. 40 (10): стр. 3784-3789.

Това са най-добрите безжични слушалки, които можете да закупите на всяка цена!
Време е да прережете кабела!

Това са най-добрите безжични слушалки, които можете да закупите на всяка цена!

Най-добрите безжични слушалки са удобни, звучат страхотно, не струват прекалено много и лесно се побират в джоба.

Всичко, което трябва да знаете за PS5: Дата на издаване, цена и много други
Следващото поколение

Всичко, което трябва да знаете за PS5: Дата на издаване, цена и много други.

Sony официално потвърди, че работи по PlayStation 5. Ето всичко, което знаем за него до момента.

Nokia пуска два нови бюджетни телефона Android One под $ 200
Нови Нокии

Nokia пуска два нови бюджетни телефона Android One под $ 200.

Nokia 2.4 и Nokia 3.4 са най-новите допълнения към бюджетната гама смартфони на HMD Global. Тъй като и двете са устройства с Android One, гарантирано ще получат две основни актуализации на ОС и редовни актуализации на защитата до три години.

Защитете дома си с тези звънци и брави SmartThings
Динг Донг - заключени врати

Защитете дома си с тези звънци и брави SmartThings.

Едно от най-добрите неща за SmartThings е, че можете да използвате множество други устройства на трети страни на вашата система, включени звънци и брави. Тъй като всички те по същество споделят една и съща поддръжка на SmartThings, ние се фокусирахме върху това кои устройства имат най-добрите спецификации и трикове, за да оправдаят добавянето им към вашия арсенал SmartThings.

instagram story viewer